Hoe 193 cannabis genomen een revolutie teweeg kunnen brengen in de gezondheid, de industrie en de planeet

Onder leiding van onderzoekers van het Salk Institute, in samenwerking met Oregon CBD, Oregon State University en het HudsonAlpha Institute of Biotechnology, heeft het team het meest uitgebreide cannabis pangenoom tot nu toe geproduceerd. Deze genetische kaart, samengesteld uit 193 verschillende cannabis genomen, onthult een verbazingwekkende diversiteit en legt de basis voor versnelde selectie in de geneeskunde, landbouw en industrie.

“Cannabis is een van de meest bijzondere planten op aarde”, zegt Todd Michael, hoofdauteur van de studie en onderzoeksprofessor aan het Salk Institute. “Dankzij deze nieuwe genomische blauwdruk kunnen we nu moderne kweektechnieken toepassen om nieuwe verbindingen en eigenschappen te ontdekken in de landbouw, geneeskunde en biotechnologie.”

Het chemische arsenaal van de plant vrijgeven

De Cannabis Sativa L. is een ware chemische goudmijn. Ze kan meer dan 30% van haar drooggewicht aan cannabinoïden en terpenen produceren, kleine moleculen die worden gesynthetiseerd in de kliertrichomen die de bloemen van de plant bedekken. Deze verbindingen dienen als een natuurlijke verdediging voor de plant, maar worden door mensen gebruikt voor hun therapeutische, aromatische en psychoactieve effecten.

Hiervan zijn CBD (cannabidiol) en THC (tetrahydrocannabinol) het meest bekend. De populariteit van soorten zoals Charlotte’s Web, bekend om zijn anti-epileptische eigenschappen, heeft bijvoorbeeld de acceptatie van CBD bij het grote publiek bevorderd en hernieuwde wetenschappelijke interesse gewekt.

Ondanks de veelvuldige verspreiding van Cannabis, variërend van biobrandstoffen tot voedingsoliën, is de genomische architectuur lang een mysterie gebleven. Wettelijke beperkingen hebben systematische selectie en onderzoek verhinderd, waardoor veel eigenschappen onontdekt en onderontwikkeld zijn gebleven.

Een doorbraak in genomische technologie

Traditionele genetische studies hebben problemen ondervonden met cannabis vanwege het complexe genoom. Net als slechts 5% van de planten is cannabis dioïsch, wat betekent dat er verschillende mannelijke en vrouwelijke planten zijn. Het genoom is ook verzadigd met transposeerbare elementen, segmenten van DNA die door het genoom heen “springen”, wat de sequentiebepaling en analyse bemoeilijkt.

Het team overwon deze moeilijkheden door long-read sequencing technologieën te gebruiken, die het mogelijk maken om duizenden basenparen tegelijk te decoderen in plaats van gefragmenteerde sequenties te assembleren. Door deze aanpak konden ze beide sets chromosomen in kaart brengen (één van elke ouder) in een proces dat haplotype resolutie wordt genoemd, een primeur voor cannabis.

“We zijn een van de eersten die deze long-read technologie op grote schaal gebruiken in de context van het pangenoom,” zegt co-senior auteur Lillian Padgitt-Cobb, een postdoctoraal onderzoeker in Michaels lab.

“Het geeft ons al deze informatie over structurele variatie en genvolgorde die ons kan informeren over uiteindelijke beslissingen over het selecteren op gunstige eigenschappen in cannabisplanten.”

verborgen diversiteit en kansen voor innovatie

De pangenoomstudie, waarbij 144 planten van over de hele wereld werden onderzocht, onthulde een verbazingwekkend niveau van genetische diversiteit. Door beide sets chromosomen van elke plant op te lossen, verzamelde het team 193 genomen, waarvan 181 nog nooit eerder waren gecatalogiseerd.

Deze resultaten zetten talloze hypotheses op losse schroeven. Slechts 23% van de genen werd in alle genomen gevonden, terwijl 55% bijna universeel was en 21% varieerde van genoom tot genoom. Verrassend genoeg waren genen gerelateerd aan vetzuurmetabolisme, groei en plantverdediging het meest variabel, wat een reservoir biedt voor nieuwe kweekstrategieën.

Een van de belangrijkste ontdekkingen was de genetische basis van tetrahydrocannabivarine (THCV), een minder bekende cannabinoïde die steeds meer aandacht krijgt vanwege zijn energiegevende, niet-psychotrope effecten. De onderzoekers ontdekten dat variaties in de vetzuur biosynthese route de productie van THCV bepalen, wat een nieuwe grens opent in de functionele cannabiskweek.

Daarnaast werden de THCAS en CBDAS genen, verantwoordelijk voor THC en CBD synthese, geïntegreerd gevonden in transposeerbare elementen, wat suggereert dat door mensen gestuurde selectie – fokken – in grote mate heeft bijgedragen aan de genomische diversiteit van de soort.

Heroverweging van selectie: de rol van mannelijke planten

Het onderzoek werpt ook licht op de geslachtschromosomen van cannabis. Jarenlang heeft het moderne kweken prioriteit gegeven aan gefeminiseerde zaden door vrouwelijke planten mannelijke bloemen te laten produceren, waardoor elke bijdrage van het Y-chromosoom werd uitgesloten. Maar deze kortere weg zou wel eens duur kunnen uitpakken.

“Er zijn genen die alleen aanwezig zijn in de ‘vader’-planten die gebruikt kunnen worden om succesvollere nakomelingen te selecteren,” schrijven de auteurs. Door het mannelijke genoom te negeren, zouden kwekers waardevolle eigenschappen kunnen missen die verband houden met groeikracht, veerkracht of zelfs de productie van nieuwe verbindingen.

Volgens Ryan Lynch, een andere co-hoofdauteur, kan de integratie van deze genetische kennis in commercieel kweken een significante groei katalyseren: “Zodra de interesse van de markt wordt gecombineerd met deze nieuwe kennis over het cannabisgenoom, die de kweekinspanningen kan sturen, denk ik dat hennep en hennepolie een grote vlucht zullen nemen op het gebied van menselijke gezondheid en industriële toepassingen.”

Volgende stappen

Het onderzoeksteam hoopt dat het cannabis pangenoom zal dienen als een open en dynamische referentie voor wetenschappers, kwekers en beleidsmakers over de hele wereld. Deze kennis zou een leidraad kunnen zijn voor precieze selectie om cultivars te ontwikkelen die geschikt zijn voor medische toepassingen, duurzame landbouw en zelfs bio-industriële toepassingen zoals alternatieve vliegtuigbrandstoffen of zaadoliën met een hoog nutriëntgehalte.

Het onderzoek wijst ook op het waarschijnlijke bestaan van een wilde voorouder van cannabis in Azië, die onaangesproken genetische eigenschappen zou kunnen bevatten die gevormd zijn door unieke omgevingsomstandigheden. De ontdekking en sequentiebepaling van zo’n plant kan het pangenoom verder uitbreiden en nog meer hulpmiddelen bieden voor de wereldwijde ontwikkeling van gewassen.

Hoe was dit mogelijk?
Het maken van deze ongekende genetische kaart van cannabis was alleen mogelijk door een combinatie van wetenschappelijk doorzettingsvermogen, technologische innovatie en regulerende evolutie. De American Agricultural Acts van 2014 en 2018, die henneponderzoek en -teelt legaliseerden, speelden een beslissende rol. Ze hebben onderzoekers het wettelijke kader gegeven om plantenmonsters te verzamelen, samen te werken tussen instellingen en geavanceerde genoomtechnieken toe te passen op een gewas dat ooit naar de marge van de wetenschap werd verbannen.

Volgens Todd Michael: “Dezelfde wettelijke beperkingen hebben een ondergrondse revolutie in het kweken gestimuleerd, waarbij de kracht van cannabis als chemische fabriek werd onthuld.” Maar nu, met het veranderende beleid en de vooruitgang in de wetenschap, komt cannabis uit de schaduw tevoorschijn, gewapend met een genoom, een plan en een toekomst.